EP1090213B1 - Fasermatte - Google Patents

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EP1090213B1
EP1090213B1 EP99923431A EP99923431A EP1090213B1 EP 1090213 B1 EP1090213 B1 EP 1090213B1 EP 99923431 A EP99923431 A EP 99923431A EP 99923431 A EP99923431 A EP 99923431A EP 1090213 B1 EP1090213 B1 EP 1090213B1
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EP
European Patent Office
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fibres
fibre
mat
fiber
fibers
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Application number
EP99923431A
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English (en)
French (fr)
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EP1090213A1 (de
Inventor
Georg Wirth
Peter Zacke
Siegfried Woerner
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Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
J Eberspaecher GmbH and Co KG
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Publication date
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    • Y10T442/643—Including parallel strand or fiber material within the nonwoven fabric

Definitions

  • the invention relates to a fiber mat, in particular from opposite Resistant to heat and thermal alternating stresses Material and particularly suitable for holding ceramic monoliths in pulsating exhaust systems of internal combustion engines, e.g. Motors from Motor vehicles.
  • the exhaust gases are the driving force of internal combustion engines serving vehicles regularly catalytically treated to contain particularly harmful components convert the exhaust gases into less harmful substances.
  • Typical catalyst arrangements consist of a ceramic Monolith, which is a large variety of narrow Has exhaust channels, the walls with catalytically active Material, usually platinum, palladium or rhodium, are occupied so that the exhaust gas passing through these channels interacts almost completely with the catalyst material can kick.
  • the ceramic monolith or ceramic monoliths are regularly housed in metal housings, with the respective ceramic monolith by means of a more or less pronounced compliant mat is stored inside an annular gap between an outer peripheral surface of the ceramic Monolithes and a housing inner wall arranged is and holds the monolith essentially by friction.
  • This storage mat is also said to be unavoidable Manufacturing tolerances of ceramic monolith and metal housing as well as the different thermal expansion coefficients balance of housing and monolith.
  • the Storage mat exposed to high alternating loads because on the one hand the exhaust gas temperatures compared to normal The temperature of the atmosphere can reach extremely high values and on the other hand by splashing water on wet rain Roads or in car washes an extreme cooling of the Housing compared to the ceramic monolith can occur.
  • the exhaust gas flow with pronounced pulsations is affected by the vibrations of the wall of the metal housing and the ceramic monolith on the exhaust gas inflow side constantly pulsating.
  • Generic fiber mats are e.g. B. from the US 4,484,459 and EP 0 361 796 A2.
  • the object of the invention is now to store ceramic Monoliths in exhaust systems with suitable fiber mats with special high resilience and pronounced permanent elasticity to accomplish.
  • the invention is based on the general idea of the fiber mat as a fiber fabric with predominantly ordered fibers to train, in such a way that two touching Fibers of neighboring layers on their respective point of contact facing sides only at a certain distance lie on a fiber or fibers of other layers.
  • the result of this is tantamount to being in the thickness direction the mat, i.e. perpendicular to the mat plane, points of contact and open spaces alternate more or less frequently follow each other.
  • This allows a fiber to be attached to one Point of contact regularly in the direction of a point of contact diametrically opposite with respect to the fiber axis Give in free space so that the points of contact at least predominantly on yielding under load under bending Fiber areas are. So these fiber areas are similar bendable "bars" that are either side of one in one direction loaded point of contact to support them Load are stored.
  • the fiber diameter is between about 3 to 15 ⁇ m, with fiber diameter of at least 5 ⁇ m are preferred, at optionally occurring small fragments of irritation of the avoid human skin and furthermore prevent that the fiber fragments are highly likely can be inhaled.
  • fiber diameter is between about 3 to 15 ⁇ m, with fiber diameter of at least 5 ⁇ m are preferred, at optionally occurring small fragments of irritation of the avoid human skin and furthermore prevent that the fiber fragments are highly likely can be inhaled.
  • Metal oxides in terms of their high thermal Resilience preferred. It is regular about extremely brittle materials. by virtue of the fiber fabric provided according to the invention and the small one However, fiber diameter can still be high Guaranteed permanent elasticity in the thickness direction of the mat become.
  • At least part of the fiber layers consist of wavy or coiled fibers.
  • the fibers of the fiber scrim become more under pressure or less wavy. This leads to itself a corresponding tensile load on the fibers and / or to one Shortening the mat lengthways and crossways.
  • This Effect can be compensated for in that the fibers of the Mat in the unloaded and unstressed state one - preferably irregular - relatively large waveform Spatial wavelength and comparatively small spatial amplitude exhibit. This allows the fibers to press when the mat is pressed "stretch" something without being put under a lot of strain.
  • auxiliary threads or the gluing from one material which is under heating (or by others Measures) can be removed from the mat after installation in a gap generated pressing forces by loosening the auxiliary threads or the bond can be increased.
  • a fiber mat 1 consists of a plurality superimposed fiber layers with each other parallel fibers 2.
  • the Fibers from layers immediately adjacent to each other are aligned transversely to each other.
  • the fibers 2 of two Layers on both sides of an intermediate layer are arranged, for example the fibers of the first in Fig. 1 and the third layer from below, lie to each other parallel, but are in plan view of the layers to each other arranged on gap. This is the point of contact a fiber 2 an intermediate layer with a fiber 2 of a neighboring layer regularly removed from neighboring Points of contact of the aforementioned fibers with fibers 2 of the other neighboring layer.
  • the fibers 2 can thermally heavy duty as well as thermal alternating loads resistant fibers consist of ceramic materials, for example from metal oxides such as aluminum oxide, silicon oxide, Boron oxide, zirconium oxide, hafnium oxide or mixed crystals from these materials or from silicon carbide and Silicon nitride. With these materials, fiber diameters are preferred of about 5 ⁇ m, the number the fiber layers can be a multiple of 100.
  • the fiber mat 1 causes fiber diameters in the gap between the walls 3 and 4 in Figs. 2 and 3 an extraordinary high throttle resistance to gases that the Seek to penetrate the gap parallel to walls 3 and 4.
  • due to the high number of fibers per unit volume a good shield against heat radiation and because of the many small spaces between the fibers 2 good thermal insulation of walls 3 and 4 reached from each other.
  • the fiber mat is used to store a ceramic monolith used in exhaust systems, the gap between the monolith and the housing wall enclosing the monolith largely sealed gas-tight, moreover the monolith and the housing wall become thermal from one another effectively separated.
  • FIG. 4 there is between two fiber layers with parallel, but offset parallel Fibers 2 'and 2' 'each have a wavy layer Fibers 5 arranged, the fibers 5 each one in Layer wave lying plane wave with a spatial wavelength form that twice the distance from neighboring fibers 2 'or of neighboring fibers 2 ''.
  • the fibers lie there 2 '' preferably so that the wavy fibers 5 each like crossing at the extreme points of the wave while the fibers 2 '' the wavy fibers each in the area touch the curvature change.
  • the wavy fibers 5 when the fiber mat is subjected to pressure on bending and torsion claimed lie on top of each other in the direction of the fibers following points of contact of a fiber 5 with neighboring fibers 2 'and 2' 'relatively far apart. Thereby may decrease the likelihood of fiber breaks become.
  • the fiber layers are made each made of tubular fiber helices 6, the fiber helix one layer each transverse to the direction of the fiber coils the adjacent layer can be arranged.
  • a Such fiber mat is characterized by high flexibility out. It also has good elasticity in the thickness direction guaranteed because the fiber coils 6 on the one hand can be squeezed elastically across the helix axis and on the other hand, at least in the case of fiber spirals 6 with a larger pitch there is the possibility that adjacent fiber coils 6 or the fiber coils 6 adjacent layers one inside the other be pressed.
  • the fiber layers can each consist of weak corrugated fibers 7 exist, the spatial wavelength clearly greater than twice the transverse spacing of the fibers 7 of the respective Neighboring layer is.
  • corrugated fibers 7 can also be carried out with little accuracy of laying the fibers 7 with a high probability, that the fibers of two immediately become an intermediate layer adjacent fiber layers in the transverse direction to each other offset points of contact with the fibers of the intermediate layer have and thus in the area of a point of contact associated with two different layers Fibers 7 on that facing away from the respective point of contact Side of a fiber 7 for bending this fiber 7 usable space is available.
  • the waviness of the fibers allows them to be laid relatively easily achieve that between adjacent fibers a middle distance remains or only point contact.
  • the preferred irregular waviness of the fibers can be preferred a spatial wavelength in the range of 100 times to Have 500 times the size of the fiber diameter.
  • the spatial amplitude the ripple is preferably 10 times to 100 times the dimension of the fiber diameter.
  • Fig. 7 shows a diagram showing the pressure P a Fiber mat depending on the height h one of the fiber mat filled gap reproduces, the fiber mat has a structure similar to FIG. 1.
  • a largely linear compression characteristic K which is due to inevitable fiber breaks in the course the time in the direction of an essentially to the compression characteristic K shifts parallel characteristic K '.
  • the steepness the characteristic curves K and K ' is determined by the transverse distances the fibers 2 within the fiber layers and the fiber diameter and the fiber material determined. Tighter cross distances as well as enlarged fiber diameters lead to a greater steepness of the characteristic curves K or K '.
  • the usable area for the downward pressure is limited by the minimum pressure P min , which is necessary in order to ensure a sufficient frictional connection between the fiber mat and the monolith or between the fiber mat and the housing of the monolith cause.
  • the usable range during pressing is limited by the maximum permissible pressure P max for the monolith, above which the fractures of the monolith are to be expected.
  • the gap height h it must be ensured, on the one hand, that the value does not fall below h min , below which an excessive number of fiber breaks due to severe crushing of the fiber mat must be expected.
  • the gap height should not exceed the value h max , above which the fibers of the fiber layers are only slightly subjected to bending, so that as the gap height increases, only a progressively decreasing pressure can be expected.
  • the fiber mats can basically be made from methods known in weaving technology can be used.
  • Glue can be used, for example on the basis of starch or polyvinyl acetate or acrylates.
  • the fibers can be glued together a prestressed state of the fiber mat.
  • the fiber mat according to the invention consists of a fiber fabric it is comparatively easy to do the fiber mat to train areas with different numbers of shifts, order, for example, when storing a ceramic Monolithes in an associated housing of an exhaust system particularly flexible areas of the housing wall to avoid the housing wall from the bearing mat.
  • This can be particularly important if the ceramic monolith and the associated housing has a non-circular cross section with areas strongly curved and weak in areas have curved sections.
  • the housing wall can have zones of comparatively large spring bumps execute that lead to a correspondingly strong change the gap height. If the storage mat in such areas has an increased number of shifts, one can everywhere solid storage of the monolith and good damping of the Wall vibrations and a good seal of the gap guaranteed become.
  • the network and space grid structure the fiber mat or the fiber layers in longitudinal
  • auxiliary fibers which, for example, zigzag in the network structure can be woven.
  • the density should of the auxiliary fibers to be comparatively low to the on Elasticity of the fiber mat designed network structure as possible little to bother.
  • burnable auxiliary fibers can be used for the production Spacers or binders made from heat softening Plastics inserted between the fibers of the mat or be woven in.
  • Such auxiliary fibers can thermally the ceramic fibers glued or as a position fix for the Ceramic fibers must be melted into the mat structure.
  • the auxiliary fibers may be thicker than the ceramic fibers his.
  • Suitable auxiliary fibers of this type are, for example Acrylic, polyethylene and / or polyamide fibers.
  • the making of this Fibers or the generation of the ripples can be caused by pressure pulsation during the extrusion of the fibers, through a pulsating Traction when stretching the fiber blank, through asymmetrical Nozzles with an oscillating change in passage speed of the fiber material and / or by oscillating Deflection of the fiber blank when the fiber material solidifies respectively.
  • the fibers can be deposited by combs or the like be performed. Additionally or alternatively, the Fibers also through laminar air curtains or air jets be performed.
  • the fibers of the fiber mat through auxiliary measures, such as. by auxiliary threads or gluing until Fix or insert the mat. Particularly preferred Way is provided to form this fixation so that the mat has a larger bias in the thickness direction is exposed.
  • auxiliary threads for example the fiber layers are prestressed with one another to be "quilted". If the used to fix the fibers Materials can be removed thermally or in another way there is the possibility of the fixing material after assembly or installing the mat so that the of the Mat generated in a gap or the like pressing forces can be increased significantly.
  • this Measures achieved that the mat is particularly easy in Gap or the like can be arranged because the pressing forces between the mat and the walls of the gap initially small be held as long as the fixation of the fiber layers remains effective under tension.
  • the fiber mats according to the invention are preferred as Bearing mats for ceramic monoliths in exhaust systems from Internal combustion engines provided. Accordingly, they exist Fibers preferably made of materials that can withstand high thermal loads, as stated above.
  • Mats there are also other applications for the invention Mats conceivable. These mats are always an advantage when it comes to high elasticity under pressure Mat arrives.
  • the mats according to the invention are thus, for example also suitable for storing vibrating machines.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Fasermatte soll sich durch hohe Elastizität gegenüber Pressung auszeichnen. Dazu ist die Fasermatte als Fasergelege ausgebildet, derart, daß die Fasern (2) einer zwischen zwei Nachbarschichten angeordneten Zwischenschicht die Fasern der einen Schicht jeweils an von Berührungspunkten mit den Fasern der anderen Schicht entfernten Stellen berühren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fasermatte, insbesondere aus gegenüber Hitze und thermischen Wechselbeanspruchungen beständigem Material und insbesondere geeignet zur Halterung von keramischen Monolithen in pulsationsbelasteten Abgasanlagen von Motoren mit interner Verbrennung, z.B. Motoren von Kraftfahrzeugen.
Bei heutigen Kraftfahrzeugen werden die Abgase der zum Antrieb der Fahrzeuge dienenden Verbrennungsmotoren regelmäßig katalytisch nachbehandelt, um besonders schädliche Bestandteile der Abgase in weniger schädliche Stoffe umzuwandeln. Dafür typische Katalysatoranordnungen bestehen aus einem keramischen Monolithen, welcher eine große Vielzahl von engen Abgaskanälen aufweist, der Wandungen mit katalytisch wirksamem Material, in der Regel Platin, Palladium oder Rhodium, belegt sind, so daß das diese Kanäle durchsetzende Abgas praktisch vollständig in Wechselwirkung mit dem Katalysatormaterial treten kann.
Der keramische Monolith bzw. die keramischen Monolithe sind regelmäßig in Metallgehäusen untergebracht, wobei der jeweilige keramische Monolith mittels einer mehr oder weniger ausgeprägt nachgiebigen Matte gelagert wird, die innerhalb eines Ringspaltes zwischen einer Außenumfangsfläche des keramischen Monolithes und einer Gehäuseinnenwandung angeordnet ist und den Monolith im wesentlichen durch Reibung festhält. Diese Lagermatte soll darüber hinaus unvermeidbare Herstellungstoleranzen von Keramik-Monolith und Metallgehäuse sowie die unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten von Gehäuse und Monolith ausgleichen. Dabei kann die Lagermatte hohen Wechselbelastungen ausgesetzt sein, weil einerseits die Abgastemperaturen im Vergleich zur normalen Temperatur der Atmosphäre außerordentlich hohe Werte erreichen und andererseits durch Spritzwasser auf regennassen Fahrbahnen oder in Waschanlagen eine extreme Abkühlung des Gehäuses gegenüber dem keramischen Monolith auftreten kann. Hinzu kommt, daß der Abgasstrom mit ausgeprägten Pulsationen behaftet ist, die Schwingungen der Wandung des Metallgehäuses anregen und den keramischen Monolith auf der Abgas-Zustromseite ständig pulsierend belasten.
Derzeit sind Lagermatten für keramische Monolithe in Abgasanlagen meist als "möglichst wirre" Drahtgewirke und/oder als sogenannte Blähmatten ausgebildet, die unter Hitze aufblähende Glimmerpartikel und keramische Bestandteile, insbesondere in Faserform, enthalten können.
Gattungsgemäße Fasermatten sind z. B. aus der US 4,484,459 und der EP 0 361 796 A2 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, zur Lagerung keramischer Monolithe in Abgasanlagen geeignete Fasermatten mit besonders hoher Belastbarkeit und ausgeprägter Dauerelastizität zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Fasermatte als Fasergelege mit überwiegend geordneten Fasern auszubilden, und zwar derart, daß zwei einander berührende Fasern benachbarter Schichten auf ihrem vom jeweiligen Berührungspunkt abgewandten Seiten erst in einem gewissen Abstand auf einer Faser oder Fasern anderer Schichten aufliegen. Dies ist im Ergebnis gleichbedeutend damit, daß in Dikkenrichtung der Matte, das heißt senkrecht zur Mattenebene, mehr oder weniger häufig Berührungspunkte und Freiräume alternierend aufeinander folgen. Damit kann eine Faser an einem Berührungspunkt regelmäßig in Richtung eines dem Berührungspunkt bezüglich der Faserachse diametral gegenüberliegenden Freiraums nachgeben, so daß die Berührungspunkte zumindest überwiegend an bei Belastung unter Biegung nachgebenden Faserbereichen liegen. Diese Faserbereiche ähneln also biegbaren "Balken", die beiderseits eines in einer Richtung belasteten Berührungspunktes zur Abstützung gegen diese Last gelagert sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Faserdurchmesser zwischen etwa 3 bis 15 um, wobei Faserdurchmesser von zumindest 5 um bevorzugt sind, um bei gegebenenfalls auftretenden kleinen Bruchstücken Reizungen der menschlichen Haut zu vermeiden und darüber hinaus zu verhindern, daß die Faserbruchstücke mit hoher Wahrscheinlichkeit eingeatmet werden können. Im Falle von Lagermatten für keramische Monolithe sind als Fasermaterialien glasige oder keramische Metalloxide im Hinblick auf ihre hohe thermische Belastbarkeit bevorzugt. Dabei handelt es sich zwar regelmäßig um an sich außerordentlich spröde Materialien. Aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen Fasergeleges sowie der geringen Faserdurchmesser kann jedoch gleichwohl eine hohe Dauerelastizität in Dickenrichtung der Matte gewährleistet werden.
Gegebenenfalls kann zumindest ein Teil der Faserschichten aus wellenförmigen oder gewendelten Fasern bestehen. Dadurch besteht einerseits die Möglichkeit, die Abstände zwischen den Abstützpunkten an einer Faser zu verlängern. Andererseits kann mit derartigen Fasern vergleichsweise leicht gewährleistet werden, daß innerhalb einer Faserschicht regelmäßig Freiräume verbleiben, die für Biegebewegungen von Fasern benachbarter Schichten ausnutzbar sind.
Bei Preßbelastung werden die Fasern des Fasergeleges mehr oder weniger wellenförmig verbogen. Dies führt an sich zu einer entsprechenden Zugbelastung der Fasern und/oder zu einer Verkürzung der Matte in Längs- und Querrichtung. Dieser Effekt kann dadurch kompensiert werden, daß die Fasern der Matte im unbelasteten und unverspannten Zustand eine - vorzugsweise unregelmäßige - Wellenform mit relativ großer Raumwellenlänge und vergleichsweise kleiner Raumamplitude aufweisen. Damit können sich die Fasern bei Preßung der Matte etwas "strecken", ohne stark auf Zug belastet zu werden.
Durch Verklebung und/oder Hilfsfäden kann die Ordnung des Fasergeleges der Matte vor deren Einbau oder Einsatz fixiert werden. Insbesondere besteht dabei die Möglichkeit, die Faserlagen in Dickenrichtung der Matte mit den Hilfsfäden bzw. der Verklebung unter Vorspannung zu halten. Mit derartigen Maßnahmen kann der Einsatz bzw. Einbau der Matte deutlich erleichtert werden.
Wenn die Hilfsfäden bzw. die Verklebung aus einem Material bestehen, welches sich unter Erwärmung (oder durch andere Maßnahmen) löst, können die von der Matte nach dem Einbau in einem Spalt erzeugten Preßkräfte durch Lösung der Hilfsfäden oder der Verklebung erhöht werden.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden.
Dabei zeigt
Fig. 1
eine ausschnittsweise perspektivische Ansicht mehrerer aufeinanderliegender Schichten einer Fasermatte,
Fig. 2
ein Schnittbild einer entsprechenden Fasermatte in unbelastetem Zustand,
Fig. 3
ein der Fig. 2 entsprechendes Schnittbild der Fasermatte bei Belastung,
Fig. 4
eine perspektivische, ausschnittsweise Ansicht dreier Faserschichten einer Ausführungsform, bei der die Faserschichten abwechselnd aus gewellten und geraden Fasern bestehen,
Fig. 5
eine perspektivische, ausschnittsweise Darstellung einer Fasermatte, deren Faserschichten aus gewendelten Fasern bestehen,
Fig. 6
eine schematisierte Draufsicht auf drei Faserebenen, die jeweils aus schwach gewellten Fasern bestehen, und
Fig. 7
ein Diagramm, welches die Pressung einer Fasermatte in Abhängigkeit der Höhe eines von der Fasermatte ausgefüllten Spaltes wiedergibt.
Gemäß Fig. 1 besteht eine Fasermatte 1 aus einer Vielzahl übereinander angeordneter Faserschichten mit jeweils zueinander parallelen Fasern 2. In jeder Schicht sind die Fasern voneinander um ein Maß b voneinander beabstandet, wobei die Fasern von miteinander unmittelbar benachbarten Schichten quer zueinander ausgerichtet sind. Die Fasern 2 von zwei Schichten, die beidseitig einer dazwischen liegenden Schicht angeordnet sind, beispielsweise die Fasern der in Fig. 1 ersten und dritten Schicht von unten, liegen zwar zueinander parallel, sind jedoch in Draufsicht auf die Schichten zueinander auf Lücke angeordnet. Damit liegt der Berührungspunkt einer Faser 2 einer Zwischenschicht mit einer Faser 2 der einen Nachbarschicht regelmäßig entfernt von benachbarten Berührungspunkten der vorgenannten Fasern mit Fasern 2 der anderen Nachbarschicht.
Wenn nun die Fasermatte 1 gemäß den Fig. 2 und 3 zwischen den Wänden 3 und 4 eines Spaltes mit variabler Breite angeordnet ist, tritt bei Verengung des Spaltes gemäß Fig. 3 eine weitestgehend regelmäßige wellenförmige Verformung aller Fasern 2 auf, mit Ausnahme der Fasern der beiden den Wänden 3 und 4 unmittelbar benachbarten Faserschicht.
Im Falle einer Fasermatte 1 zur Halterung keramischer Monolithe in Abgasanlagen können die Fasern 2 aus thermisch hochbelastbaren sowie auch thermischen Wechselbeanspruchungen standhaltenden Fasern aus keramischen Materialien bestehen, beispielsweise aus Metalloxiden wie Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Boroxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid oder Mischkristallen aus diesen Materialien bzw. aus Siliciumcarbid und Siliciumnitrid. Bei diesen Materialien sind vorzugsweise Faserdurchmesser von etwa 5 um vorgesehen, wobei die Anzahl der Faserschichten ein Vielfaches von 100 betragen kann.
Bei derart vielen Faserschichten und den angegebenen geringen Faserdurchmessern bewirkt die Fasermatte 1 im Spalt zwischen den Wänden 3 und 4 in den Fig. 2 und 3 einen außerordentlich hohen Drosselwiderstand gegenüber Gasen, die den Spalt parallel zu den Wänden 3 und 4 zu durchsetzen suchen. Darüber hinaus wird aufgrund der hohen Faserzahl pro Volumeneinheit eine gute Abschirmung gegenüber Wärmestrahlung und aufgrund der vielen kleinen Freiräumen zwischen den Fasern 2 eine gute thermische Isolierung der Wände 3 und 4 voneinander erreicht.
Wird die Fasermatte zur Lagerung eines keramischen Monolithes in Abgasanlagen eingesetzt, wird also der Spalt zwischen dem Monolith und der den Monolith umschließenden Gehäusewand weitestgehend gasdicht abgesperrt, darüber hinaus werden der Monolith und die Gehäusewand voneinander thermisch wirksam getrennt.
Bei der Ausführungsform der Fig. 4 ist zwischen zwei Faserschichten mit zueinander parallelen, jedoch parallel versetzen Fasern 2' bzw. 2'' jeweils eine Schicht mit wellenförmigen Fasern 5 angeordnet, wobei die Fasern 5 jeweils eine in Schichtebene liegende ebene Welle mit einer Raumwellenlänge bilden, die dem doppelten Abstand von Nachbarnfasern 2' bzw. von Nachbarnfasern 2'' entspricht. Dabei liegen die Fasern 2'' vorzugsweise so, daß sie die wellenförmigen Fasern 5 jeweils etwa an den Extrempunkten der Welle kreuzen, während die Fasern 2'' die wellenförmigen Fasern jeweils im Bereich der Krümmungswechsel berühren.
Durch diese Konfiguration werden die wellenförmigen Fasern 5 bei Druckbelastung der Fasermatte auf Biegung und Torsion beansprucht. Darüber hinaus liegen in Faserrichtung aufeinander folgende Berührungspunkte einer Faser 5 mit Nachbarnfasern 2' und 2'' voneinander relativ weit beabstandet. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit von Faserbrüchen vermindert werden.
Bei der Ausführungsform der Fig. 5 bestehen die Faserschichten jeweils aus röhrenförmigen Faserwendeln 6, wobei die Faserwendel einer Schicht jeweils quer zur Richtung der Faserwendeln der benachbarten Schicht angeordnet sein können. Eine solche Fasermatte zeichnet sich durch hohe Biegefähigkeit aus. Darüber hinaus wird eine gute Elastizität in Dickenrichtung gewährleistet, weil die Faserwendeln 6 einerseits quer zur Wendelachse elastisch gequetscht werde können und andererseits zumindest bei Faserwendeln 6 mit größerer Steigung die Möglichkeit besteht, daß benachbarte Faserwendeln 6 bzw. die Faserwendeln 6 benachbarten Schichten ineinander gedrückt werden.
Gemäß Fig. 6 können die Faserschichten jeweils aus schwach gewellten Fasern 7 bestehen, deren Raumwellenlänge deutlich größer als der doppelte Querabstand der Fasern 7 der jeweiligen Nachbarschicht ist. Durch derartige gewellte Fasern 7 läßt sich auch bei geringer Exaktheit in der Durchführung der Verlegung der Fasern 7 mit hoher Wahrscheinlichkeit erreichen, daß die Fasern zweier zu einer Zwischenschicht unmittelbar benachbarter Faserschichten in Querrichtung zueinander versetzte Berührungspunkte mit den Fasern der Zwischenschicht aufweisen und somit im Bereich eines Berührungspunktes von zwei unterschiedlichen Schichten zugehörigen Fasern 7 auf der vom jeweiligen Berührungspunkt abgewandten Seite einer Faser 7 ein für Verbiegungen dieser Faser 7 nutzbarer Freiraum vorliegt.
Durch die Welligkeit der Fasern läßt sich bei deren Verlegung relativ leicht erreichen, daß zwischen benachbarten Fasern einer Schicht ein mittlerer Abstand verbleibt bzw. nur punktförmige Berührungen erfolgen.
Die bevorzugt unregelmäßige Welligkeit der Fasern kann bevorzugt eine Raumwellenlänge im Bereich des 100-fachen bis 500-fachen Maßes des Faserdurchmessers aufweisen. Die Raumamplitude der Welligkeit liegt bevorzugt beim 10-fachen bis 100-fachen Maß des Faserdurchmessers.
Die Fig. 7 zeigt ein Diagramm, welches die Pressung P einer Fasermatte in Abhängigkeit von der Höhe h eines von der Fasermatte ausgefüllten Spaltes wiedergibt, wobei die Fasermatte eine Struktur ähnlich der Fig. 1 aufweist. Innerhalb eines durch punktierte Linie umrahmten nutzbaren Bereiches ergibt sich eine weitestgehend lineare Kompressionskennlinie K, welche sich aufgrund unvermeidlicher Faserbrüche im Laufe der Zeit in Richtung einer im wesentlichen zur Kompressionskennlinie K parallelen Kennlinie K' verschiebt. Die Steilheit der Kennlinien K bzw. K' wird durch die Querabstände der Fasern 2 innerhalb der Faserschichten sowie den Faserdurchmesser und des Fasermaterial bestimmt. Engere Querabstände sowie vergrößerte Faserdurchmesser führen zu einer größeren Steilheit der Kennlinien K bzw. K'.
Im Falle einer Fasermatte zur Lagerung eines keramischen Monolithes wird der nutzbare Bereich für die Pressung nach unten durch die Mindestpressung Pmin begrenzt, die notwendig ist, um einen zur Fixierung des Monolithes ausreichenden Reibschluß zwischen Fasermatte und Monolith bzw. zwischen Fasermatte und Gehäuse des Monolithes zu bewirken. Nach oben wird der nutzbare Bereich bei der Pressung durch die für den Monolith maximal zulässige Pressung Pmax begrenzt, oberhalb der Brüche des Monolithes zu erwarten sind.
Hinsichtlich der Spalthöhe h muß einerseits gewährleistet sein, daß der Wert hmin nicht unterschritten wird, unterhalb dessen übermäßig viele Faserbrüche durch starke Quetschung der Fasermatte erwartet werden müssen. Andererseits soll die Spalthöhe den Wert hmax nicht überschreiten, oberhalb dessen die Fasern der Faserschichten nur noch geringfügig auf Biegung beansprucht werden, so daß bei zunehmender Spälthöhe nur noch eine progressiv abnehmende Pressung erwartet werden kann.
Bei der Herstellung der Fasermatten können grundsätzlich aus der Webtechnik bekannte Verfahren eingesetzt werden.
Um ein Verrutschen der Fasern einer unbelasteten Fasermatte zu vermeiden können Kleber eingesetzt werden, mit denen die Fasern vor ihrer Verlegung zur Fasermatte benetzt werden.
Im Falle einer zur Lagerung keramischer Monolithe in Abgasanlagen dienenden Fasermatte können bevorzugt ausbrennbare Kleber eingesetzt werden, beispielsweise auf der Basis von Stärke- oder Polyvinylacetat bzw. Acrylaten.
Gegebenenfalls kann die Verklebung der Fasern miteinander in einem vorgespannten Zustand der Fasermatte erfolgen.
Zwar ist es grundsätzlich hinsichtlich der Festigkeit und Belastbarkeit der Matte vorteilhaft, wenn die Fasern von Mattenrand zu Mattenrand ohne Unterbrechung durchlaufen. Da jedoch im Falle einer Lagermatte für keramische Monolithe in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren die Festigkeit der Matte in Längs- und Querrichtung nur eine untergeordnete Bedeutung hat und im wesentlichen nur die Belastbarkeit der Matte senkrecht zur Mattenebene von Wichtigkeit ist, kann das die Matte bildende Fasergelege auch aus vielen relativ kurzen Faserstücken bestehen, die dann entsprechend den Darstellungen in den Fig. 1 bis 6 angeordnet bzw. ausgebildet sind.
Da die erfindungsgemäße Fasermatte aus einem Fasergelege besteht ist es vergleichsweise leicht möglich, die Fasermatte bereichsweise mit unterschiedlichen Schichtzahlen auszubilden, um beispielsweise bei der Lagerung eines keramischen Monolithes in einem zugehörigen Gehäuse einer Abgasanlage an besonders nachgiebigen Bereichen der Gehäusewandung ein Abheben der Gehäusewand von der Lagermatte zu vermeiden. Dies kann insbesondere dann wichtig sein, wenn der keramische Monolith und das zugehörige Gehäuse einen unrunden Querschnitt mit bereichsweise stark gekrümmten und bereichsweise schwach gekrümmten Teilstücken aufweisen. An den schwach gekrümmten Zonen kann die Gehäusewandung vergleichweise große Federhügel ausführen, die zu einer entsprechend starken Veränderung der Spalthöhe führen. Wenn die Lagermatte in derartigen Bereichen eine erhöhte Schichtzahl besitzt, kann überall eine feste Lagerung des Monolithes sowie eine gute Dämpfung der Wandschwingungen und eine gute Abdichtung des Spaltes gewährleistet werden.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Netz- und Raumgitterstruktur der Fasermatte bzw. der Faserschichten in Längs-, Quer- und Dickenrichtung der Matte durch Hilfsfasern zu fixieren, die beispielsweise zick-zack-förmig in die Netzstruktur eingewoben werden können. Allerdings soll die Dichte der Hilfsfasern vergleichsweise gering sein, um die auf Elastizität der Fasermatte ausgelegte Netzstruktur möglichst wenig zu stören.
Ebenso können zur Herstellung ausbrennbare Hilfsfasern als Abstandshalter oder Bindemittel aus unter Wärme erweichenden Kunststoffen zwischen die Fasern der Matte eingelegt bzw. eingewoben werden. Derartige Hilfsfasern können thermisch an die Keramikfasern angeklebt oder als Lagefixierung für die Keramikfasern in die Mattenstruktur eingeschmolzen sein. Eventuell können die Hilfsfasern dicker als die Keramikfasern sein. Als derartige Hilfsfasern eignen sich beispielsweise Acryl-, Polyethylen- und/oder Polyamidfasern.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen sind teilweise Fasern vorgesehen, die im unbelasteten Zustand eine mehr oder weniger ausgeprägte Welligkeit aufweisen. Die Herstellung dieser Fasern bzw. die Erzeugung der Welligkeiten kann durch Druckpulsation bei der Extrusion der Fasern, durch eine pulsierende Zugkraft beim Strecken des Faserrohlings, durch unsymmetrische Düsen bei oszillierend veränderter Durchtrittsgeschwindigkeit des Fasermaterials und/oder durch oszillierende Ablenkung des Faserrohlings beim Erstarren des Fasermaterials erfolgen. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Faserrohlinge durch thermische oder chemische Prozesse alternierend zu verändern, um die Wellenform zu erreichen. Um die Fasern zur Erzeugung der Fasergelege geordnet abzulegen, können die Fasern bei der Ablage durch Kämme oder dergleichen geführt werden. Zusätzlich oder alternativ können die Fasern auch durch laminare Luftschleier oder Luftstrahlen geführt werden.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist es grundsätzlich vorteilhaft, die Fasern der Fasermatte durch Hilfsmaßnahmen, wie z.B. durch Hilfsfäden oder Verklebung, bis zum Einsatz bzw. Einbau der Matte zu fixieren. In besonders bevorzugter Weise ist vorgesehen, diese Fixierung so auszubilden, daß die Matte einer größeren Vorspannung in Dickenrichtung ausgesetzt wird. Bei Einsatz von Hilfsfäden können beispielsweise die Faserschichten miteinander unter Vorspannung "versteppt" werden. Wenn die zur Fixierung der Fasern eingesetzten Materialien thermisch oder in anderer Weise lösbar sind, besteht die Möglichkeit, das Fixiermaterial nach Montage bzw. Einbau der Matte zu entfernen, so daß die von der Matte in einem Spalt oder dergleichen erzeugten Preßkräfte deutlich erhöht werden. Gleichzeitig wird aufgrund dieser Maßnahmen erreicht, daß sich die Matte besonders leicht im Spalt oder dergleichen anordnen läßt, weil die Preßkräfte zwischen der Matte und den Wänden des Spaltes zunächst gering gehalten werden, solange die Fixierung der Faserschichten unter Vorspannung wirksam bleibt.
Die erfindungsgemäßen Fasermatten sind zwar bevorzugt als Lagermatten für keramische Monolithe in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren vorgesehen. Dementsprechend bestehen die Fasern bevorzugt aus thermisch hochbelastbaren Materialien, wie oben ausgeführt wurde.
Jedoch sind auch andere Einsatzfälle für die erfindungsgemäßen Matten denkbar. Diese Matten sind immer dann von Vorteil, wenn es auf hohe Elastizität bei Preßbelastung der Matte ankommt. Damit sind die erfindungsgemäßen Matten beispielsweise auch zur Lagerung vibrierender Maschinen geeignet.

Claims (12)

  1. Fasermatte aus gegenüber Hitze und thermischen Wechselbeanspruchungen beständigem Material, mit in geordneten Schichten angordneten Fasern,
    dadurch gekennzeichnet, daß sie als Lagermatte zur Lagerung eines keramischen Monolithen in pulsationsbelasteten Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen verwendet ist, wobei die Fasern (2, 5, 6, 7) einer Schicht quer zu den Fasern der Nachbarschicht bzw. Nachbarschichten verlaufen und jede Faser einer zwischen zwei Nachbarschichten liegenden Zwischenschicht auf den Fasern jeder Nachbarschicht an einer Vielzahl von Berührungspunkten aufliegt, deren Abstände voneinander im Mittel größer als der Faserdurchmesser ist, und die Berührungspunkte der Faser mit den Fasern der einen Nachbarschicht - zumindest überwiegend - versetzt zu den Berührungspunkten mit den Fasern der anderen Nachbarschicht liegen.
  2. Fasermatte nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Berührungspunkte voneinander bei einem Vielfachen der Faserdurchmesser liegen.
  3. Fasermatte nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Fasermatte um mehrere Größenordnungen im Bereich mehrerer Potenzen der Zahl 10 größer als der Faserdurchmesser ist.
  4. Fasermatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Fasern jeder zweiten Schicht wellenförmig ausgebildet sind.
  5. Fasermatte nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten abwechselnd etwa geradlinige und wellenförmige Fasern aufweisen, wobei die geradlinigen Fasern auf der einen Seite der Schicht aus wellenförmigen Fasern im Bereich der Wellen-Extrempunkte an den wellenförmigen Fasern anliegen, während die geradlinigen Fasern der anderen Nachbarschicht der Schicht aus wellenförmigen Fasern an den Krümmungswechselpunkten der wellenförmigen Fasern anliegen.
  6. Fasermatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern, zumindest einiger Schichten, schraubenförmig gewendelt sind.
  7. Fasermatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen parallelen Fasern einer Faserlage derart eingestellt ist, daß eine maximal zulässige Zugspannung innerhalb der Fasern erreicht wird, sobald die Fasern durch Biegebeanspruchung an der nächsten Faserlage mit gleicher Faserrichtung anliegen.
  8. Fasermatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern bzw. Faserebenen der Matte bei der Montage durch ausbrennbare Hilfsfäden oder ausbrennbaren Kunststoff-Kleber bis zum Einbau bzw. Einsatz der Matte unter Verspannung in sich geometrisch fixiert sind.
  9. Fasermatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern bzw. Faserebenen der Matte unter Preßvorspannung der Matte miteinander verklebt sind, und daß die Verklebung unter Erwärmung lösbar ist.
  10. Fasermatte nach einemd der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Fasern zwischen 3 und 15 m liegt.
  11. Fasermatte nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Fasern einen Wert von ca. 5 m hat.
  12. Fasermatte nach einem der Abnsprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus glasigem bzw. keramischem Material, insbesondere aus Metalloxiden, wie z.B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Bohroxid, Zirkonoxid und Hafniumoxid, bzw. aus Mischkristallen von Metalloxiden und/oder Siliziumkarbid und/oder Siliziumnitrid bestehen.
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